《仪表自动化技术》实验指导书

1、仪表与自动化课程实验指导书仪表与自动化课程主要包括“仪表”与“控制系统”两部分内容，该课程与现代化生产过程密切相关。实践环节对学生学好课程基础理论、培养实际动手能力和工程意识具有重要意义。通过基本实验，使学生明确自动控制系统的组成和基本控制规律，了解检测控制仪表在控制系统中的作用，建立现代化生产过程自动控制系统控制方案设计的基本概念。 实验项目（根据不同的专业和教学要求选作一定的实验项目） 68学时1压力表/压力变送器的标定 综合型 2学时（1）掌握活塞式压力计的结构和工作原理；（2）学习活塞式压力计的使用方法；（3）掌握活塞式压力计标定压力表和压力变送器的方法。2热电偶（或热电阻）测温性能实

2、验 综合型 2学时掌握热电偶（或热电阻）测量温度的原理与方法；了解温控仪的结构原理和使用方法。3液位定值控制系统的设计与调试 设计型 2学时（1）了解自动控制系统的组成及其控制过程，并初步建立仪表自动化的工程概念；（2）掌握液位控制系统的设计方法；（3）熟悉液位控制系统的调节（控制器参数的工程整定）方法，获取最佳控制效果。4温度控制系统的设计与调试 设计型 4学时（1）了解自动控制系统的组成及其控制过程，并初步建立仪表自动化的工程概念；（2）掌握温度控制系统的设计方法；（3）熟悉多种温度控制系统的调节（控制器参数的工程整定）方法，获取最佳控制效果。5演示实验（结合课程教学）实验1 压力表/压力

3、变送器的标定姓名： 学号： 专业年级： 成绩：一、实验目的1掌握活塞式压力计的结构和工作原理；2学习活塞式压力计的使用方法；3掌握活塞式压力计标定压力表和压力变送器的方法。二、实验仪器、设备1待标压力变送器及压力表压力变送器型号：量程：精度等级：输出型号：420 mA，数字显示。压力表型号：量程：精度等级：2标定设备：标准活塞压力计 型号： 量程： 精度等级： ；稳压电源 （24V）；电流表 型号： 量程： 精度等级： 三、实验原理 活塞式压力计是一种精度很高的标准器，常用于校验标准压力表及普通压力表。其结构如图1-1(a)所示，它由压力发生部分和压力测量部分组成。 (a)活塞压力计结构示意图

4、 (b)压力变送器接线图图1-1 活塞式压力计及压力变送器接线图a、b、c、d-切断阀；1-测量活塞；2-砝码；3-活塞柱；4-螺旋压力发生器；5-工作液；6-压力表；7-手轮；8-丝杠；9-工作活塞；10-油杯；11-压力变送器 压力发生部分螺旋压力发生器4，通过手轮7旋转丝杠8，推动工作活塞9挤压工作液，经工作液传压给测量活塞1。工作液一般采用洁净的变压器油或蓖麻油等。 压力测量部分测量活塞1上端的托盘上放有砝码2，活塞1插入在活塞柱3内，下端承受螺旋压力发生器4向左挤压工作液5所产生的压力p的作用。当活塞1下端面因压力p作用所产生向上顶的力与活塞1本身和托盘以及砝码2的重量相等时，活塞1

5、将被顶起而稳定在活塞柱3内的任一平衡位置上。这时的力平衡关系为 式中， A测量活塞1的截面积；W、Wo砝码和测量活塞(包括托盘)的重量； p被测压力。一般取A=1cm2或0.1cm2。因此可以方便而准确地由平衡时所加的砝码和活塞本身的质量得到被测压力p的数值。如果把被校压力表6（被校压力变送器11）上的示值p（或输出电压U/电流I），与这一准确的压力p相比较，便可知道被校压力表（被校压力变送器11）的误差大小。也可以在b阀上部接入标准压力表，由压力发生器改变工作液压力，比较被校表和标准表上的示值进行校验。此时，a阀应关闭。压力变送器是压阻式一体化压力传感器，它不仅能直接数字显示被测压力的大小，

6、而且还能输出420mA标准电流信号。其使用连接线路如图1-1(b)所示。四、实验步骤1打开进油阀，摇动手轮使工作活塞向端口移动，让工作液（油）充满活塞筒。2关闭进油阀，打开阀a、阀c（或阀b）。3缓慢摇动手轮推进活塞，增大工作液的压力，直到托起测量活塞(包括托盘)到合适的测量位置，同时读取被标压力表示值（或被标压力变送器压力示值及输出电流读数）并记入实验数据表格。4依次加法码，摇动手轮推进活塞，增大工作液的压力，直到托起测量活塞(包括托盘)和所加法码到合适的测量位置，同时读取压力表示值并记入实验数据表格。5摇动手轮使测量活塞降到活塞柱支撑位置（即工作液压力降到大气压），打开进油阀，关闭阀a、阀

7、c、阀b，摇动手轮使工作活塞将工作液（油）压回油杯；关闭进油阀。表1-1 压力变送器的标定实验数据表法码（含托盘）p0/MPa压力变送器压力示值p/MPa压力变送器压力示值绝对误差Dp=p- p0/MPa压力变送器输出电流示值I(mA) 压力变送器输出电流标称值I0(mA)压力变送器输出电流示值绝对误差DI=I-I0表1-2 压力表的标定实验数据表法码（含托盘）p0/MPa压力表示值p/MPa压力表示值绝对误差D=p- p0/MPa五、实验数据处理1根据实验数据，按表格要求处理实验数据，并用坐标纸作压力表、压力变送器数字示值和输出电流实验标定曲线；2根据实验数据处理结果，确定被标定压力表、压力

8、变送器压力数字示值和输出电流的精度等级。附1根据砝码的质量和标称压力，可求测量活塞的截面积。附2压力变送器输出电流标称值 实验2 热电偶/热电阻测温性能实验姓名： 学号： 专业年级： 成绩：一、实验目的1掌握热电偶/热电阻测量温度的原理与方法；2熟悉热电偶冷（自由）端温度补偿的原理与方法；3了解温控仪的结构原理和使用方法。二、基本原理将两种不同的金属丝组成回路，如果两种金属丝的两个接点有温度差，在回路内就会产生热电势，这就是热电效应，热电偶就是利用这一原理制成的一种温差测量传感器，置于被测温度场的接点称为工作端，另一接点称为冷端(或自由端、测量端)，冷端可以是室温也可以是经过补偿后的0、25的

9、模拟温度场。热电偶实际上是一种温差测量传感器，其热电势如式（2-1）所示。 （2-1） 为直接反映温度场的摄氏温度值，需对其自由端进行温度补偿。热电偶冷端温度补偿的方法有：冰水法、恒温槽法、自动补偿法、电桥法，常用的是电桥法（图2-2），它是在热电偶和测温仪表之间接入一个直流电桥，称冷端温度补偿器，补偿器电桥在0时达到平衡（亦有20平衡），Uab0。当热电偶自由端（a、b）温度升高时（0）热电偶回路的电势Uab下降，由于补偿器中PN结呈负温度系数，其正向压降随温度升高而下降，促使Uab上升，其值正好补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势，达到补偿目的。热电阻用于测温时利用了导体电阻率随温度变化

10、这一特性，对于热电阻要求其材料电阻温度系数大，稳定性好、电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用的有铂电阻和铜电阻，热电阻Rt与温度t的关系为：Rt=R0(1+At+Bt2) （2-2）本实验采用的是Pt100铂电阻，它的R0=100，A=3.968410-2/，B=5.84710-7/2。铂电阻采用三线连接法，其中一端接二根引线主要为了消除引线电阻对测量的影响。三、实验用元器件与单元SET9000传感器综合实验台，K型、E型热电偶，Pt100铂热电阻，热电偶冷端温度补偿器，温度源，温度控制仪表，数显电压表，温度传感器实验模板。四、实验项目及步骤 （一）热电偶测温性能测试1将热电偶插到温度

11、源的两个传感器插孔中任意一个插孔，（K型、E型已装在一个护套内），K型热电偶的测量端接到主控箱面板上温控部分的Ek端，用它作为标准传感器，配合温控仪表用于设定温度，注意识别引线标记，K型、E型及正极、负极不要接错。（K型热电偶：兰、绿-；E型热电偶：红、黑-。） 2将E型热电偶的测量端接入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的a、b孔上，作为被测传感器用于实验，按图2-1接线，热电偶测量连线中带红色套管或红色斜线的一条为正端,接入“a”点。图2-1 热电偶测温特性实验电路图3放大电路调零 将R5、R6端接地，Rw2大约置中，打开主控箱电源开关，将Vo2端与主控箱上数显电压表Vi端相接，调节Rw3

12、使数显表显示零（电压表置200mV档）。4温度设定 打开主控箱上温仪控开关，设定仪表控制温度值T=40，将温度源的两芯电源线插入主控箱温控部分的220V输出插座中。 5温度测量 去掉R5、R6接地线，将a、b端与放大器R5、R6相接，观察温控仪指示的温度值，当温度稳定在40时，记录下电压表读数值； 按表2-1依次重新设定温度值，观测温控仪指示的温度值，当达到并稳定在设定值时，读出数显电压表相应的指示值，并填入表2-1中。表2-1 热电偶测温实验数据表t（）4045505560657075808590Uo(mV)6实验数据处理（1）根据表2-1实验数据，用坐标纸作Uot曲线； （2）利用实验曲线

13、（或最小二乘法）求热电偶测温的灵敏度S（V/）和计算非线性误差dL；（3）利用实验曲线求取热电偶的热电势(输出电压)-温度特性方程。7将E型热电偶的自由端连线从实验模板上拆去并接到数显电压表的输入端（Vi）直接读取热电势值（电压表置200mV档），重复上述步骤5的过程，实验数据表自行设计，根据E型热电偶分度表查出温度值（加热源与室温之间的温差值）。8计算出加热源的温度，并与温控仪的显示值进行比较，试分析误差来源。附注：热电偶分度表见教材仪表与自动化第三章附录；温控调节器的操作附本实验后。9思考题：热电偶测量的是温差值还是摄氏温度值？（二）热电偶冷端温度补偿实验1按实验项目（一）的1、7步骤操作

14、。2将冷端温度补偿器（0）上的热电偶（E型）插入温度源另一插孔中，在补偿器、端加上补偿器电源+5V（用外接适配器），将冷端补偿器的、端接入数字电压表，重复40n5的加温过程，读出数显电压表相应的指示值，并填入表2-2中。表2-2 具有冷端温度补偿的热电偶测温实验数据表t（）4045505560657075808590Uo(mV)冷端温度补偿器如图2-2所示。图2-2 冷端温度补偿原理图3将上述数据与实验（一）的结果进行比较，分析补偿前后的两组数据，参照E型热电偶分度表，计算因补偿后使自由端温度下降而产生的温差值。4思考题：上述的温差值代表什么含义？（三）热电阻测温性能测试1参照2-3接线（拆去

15、E型热电偶与R5、R6之间的联线）。图2-3 热电阻测温特性实验电路图2将Pt100铂电阻的三根线分别接入温度实验模板上“Rt”输入端的a、b点，用万用表欧姆档测量Pt100三根线，其中短接的二根线接b点，另一端接a点。这样Pt100与R3、R1、Rw1、R4组成一直流电桥，它是一种单臂电桥。Rw1中心活动点与R6相接，Pt100的b点接R5。 3加上15V模块电源，将R5、R6端同时接地，接上电压表（2V档），调节Rw3使Uo2=0。 4在“Rt”端点a与地之间加+2V或+4V直流电源，去掉R5、R6接地线并分别将“Rt”的b端与Rw1中心点相联，调节Rw1使电桥平衡，即桥路输出端b和中心活

16、动点之间在室温下输出电压为零。5将热电偶插入加热源的一个传感器安装孔中，把其中型热电偶的自由端接入主控箱面板上的热电偶Ek插孔作为标准温度传感器（热电偶护套中已安置了二支热电偶，型和E型，请注意标号），与温控表一起用于控制温度。将Pt100插入温度源的另一传感器插孔。设定温控仪温度值为40，记录下电压表读数；按表2-3依次重新设定温度值（405n），观测温控仪指示的温度值，当达到并稳定在设定值时，读出数显电压表相应的指示值，并填入表2-3中。表2-3t（）4045505560657075808590Uo(mV) 6根据表2-3，计算其非线性误差d及灵敏度S。注：这个测温实验中数显电压表指示的是

17、室温与温度源的温差值所对应的实验模块输出电压值，因为根据上述第3步已将室温值显示为零。附注：温控调节器的操作附后。7思考题（1）热电阻测温与热电偶测温有什么不同？ （2）如果要使电压表显示加热器的摄氏温度值，上述实验电路该如何调整？需要补偿器吗？附 温控仪操作说明 1通电前检查接线正确无误，感温元件与仪表分度号一致，仪表通电5s内显示窗先显示PV窗输出代码、SV窗先输出代码，后显示PV窗量程上限、SV 量程下限，随后即进入工作状态，按SET键0.5s，SV显示窗闪烁，此时可改变设定值，再按SET键0.5s确认，如需修改其它参数，必须按住SET键大于3s，即进入B菜单，可按要求逐一修改内容（见操

18、作流程表）,修改完毕再按SET键0.5s若干下, 退出B菜单，如15s内无键按下（该窗内新设置的数据无效）自动进入新的工作状态。 2在输入信号大于量程上限时,仪表显示 ，在输入信号小于量程下限时,仪表显示 。 3当温度控制效果不够理想时,可以人工或自整定来改变PID参数。操作方法如下：人工修正：将仪表进入B菜单至窗，再用键来修正P值，再按SET键0.5s进入I窗，I、D、T的修正方法同上，然后再按SET键0.5s若干下返回正常工作状态，即开始新的PID参数。自整定修正：将仪表进入B菜ATU窗后选择(1)(选0时为不自整定)，选好按SET键确认后仪表即进入自整定状态，同时AT灯亮，待自整定完成A

19、T灯闪时再按SET键2s，确认后即按新的自整定PID参数工作。用自整修正PID值时应注意当负载为多段串联加热方式(如挤出机械)，其中某段进入自整定过程时，应注意保持前拍二段的温度不变,否则会影响自整定效果。 4PID参数的设置原则:P为比例带(加热侧),如过冲大可加大比例带。如希升温快可减小比例带。I为积分时间，如温度波动较大则加长积分，反之则减小积分。一般来说系统滞后现象越严重，积分时间越长。D为微分时间，一般取积分时间的(1/51/4)。 5PID控制与位式控制功能的切方法：若需把仪表切换成位式控制(常规仪表出厂设置均为PID控制)，正常工作状态仪表按住SET键3s以上进入B菜单后，再按S

20、ET键0.5s若干下至P窗,把P设为0后按SET键若干下至T窗，把T设为1即进入位式控制，其控温范围(切换差)可通过改变dP值来实现,位式控制时的dP值举例：SV100时，设dP=12.5,则实际输出控制范围为87.5112.5。若需返回至PID控制时,把P、dP值还原即可。PID控制适用于高精度控温场合,系统配置稳定合理可达1个字精度；位式控制适用于控制某一段范围内的温度。 6进入C菜单的设置方法：(C菜单因仪表功能不同而有所不同; 非专业人士及无特殊情况下请勿进入C菜单)。先进入B菜单的ATU窗后同时按住键0.5s至PV窗显示L，可设置量程下限；再按SET键0.5s，PV 窗显示H,可设置

21、量程上限; 按SET 0.5s，PV窗显示LP，LP=下冲限，常规值26；按SET 0.5s，PV窗显示L1，在L1值内无开机及设定后默认值，常规610；按SET 0.5s，PV窗显示HL，在SV窗选1或0，(选1时=AL1=上限报警，若选0时=AL2=下限报警）；按SET 0.5s，PV窗显示A，在SV窗选1或0，选1时为绝对值报警(报警设定值=报警输出值)，选0时=偏差值报警(主控值报警设定值=报警输出值)；当测量值低于下限报警输出值时ALM灯亮下限继电器吸合，高于上限报警输出值时ALM灯亮，上限继电器吸合；再按SET 0.5s，PV窗显示I，I常规3内大控制快；按SET 0.5s，PV窗

22、显示E，E为抗干扰等级，0=常规，1=加强，按SET 0.5秒，PV窗显示P，P(30-100%)为输出最大功率限制，按SET 0.5s即进入新的工作状态。 7若控温失常请检查仪表参数是否被误修改，传感器部分是否失效。按键不起作用，请检查LCK键是否被锁定。8操作流程表 如图F-1所示。9面板功能 如图F-2所示。 图F-1 操作流程 图F-2 操作流程实验3 水箱液位定值系统的设计和调试姓名： 学号： 专业年级： 成绩：一、实验目的了解自动控制系统的组成及其控制过程，并初步建立仪表自动化的工程概念；掌握液位控制系统的设计方法；熟悉液位控制系统的调节（控制器参数的工程整定）方法，获取最佳控制效

23、果。二、实验设备过程控制与仪表自动化系统实验装置，1套； 计算机（含控制软件），1台。三、实验原理本实验被控量为上水箱（也可采用中水箱或下水箱）的液位高度，实验要求上水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制上水箱液位的目的。实验系统控制方框图如下所示：图3-1 水箱液位定值控制系统方框图四、实验步骤 按过程控制与仪表自动化系统实验装置相应的液位实验项目，构建系统，设定控制参数，调节控制过程，实现控制要求。（一）观察系统在PI控制参数下的动态响应曲线1按要求设定参数，液位给定值SV80mm，PI

24、参数为P(KP)20，I(TI)40。2设置好系统的给定值后，用手动操作7024模块的输出，通过电动调节阀给上水箱进水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把输出切换为自动，使系统投入自动运行状态。3 观察系统在设定的控制参数下的动态响应曲线，如图3-2所示。由上图可知，其最大测量值为PVmax98.41mm，由此可得出其最大超调量d(98.4180)/80100，d23 。又由实时数据知：PV10%SV 7.88mm，t114:57:19；PV90%SV 72.12mm，t214:59:14；则其上升时间tt2t1115s 。4 由以上可知，该系统的动态响应好，能在阶跃作用下很快

25、的达到稳态。图3-2 上水箱液位定值控制动态响应曲线 （二）研究系统在扰动作用下的动态响应过程1当系统稳定在给定值后，给系统加一阶跃干扰，使SV90mm，观察其动态响应过程。响应曲线如图3-3所示。图3-3 上水箱液位定值控制阶跃响应曲线由上图可看出，该控制系统具有良好的抗干扰的能力。当干扰出现后，系统能在调节阀的工作下很快的进行调整，并在短时间内达到新的稳定状态。2当系统再次稳定后，开启变频器磁力泵，打开阀F23，利用这一支路进水形成干扰。变频器的频率固定在27.7Hz。响应曲线如图3-4所示。图3-4 上水箱液位定值控制变频扰动曲线在图中可以看到，加入变频器磁力泵支路进水后，系统仍然能够很

26、快的克服这个干扰，但是此时液位出现了一定的不稳定的波动。分析其原因，主要是由于变频器磁力泵支路的频率并不是真正的固定的，有一定的波动，所以使得这一支路进入水箱的水量不是固定不变的，而这一变化波动又相当的快，调节器来不及对此作出反应。实验4 温度控制系统的设计与调试姓名： 学号： 专业年级： 成绩：一、实验目的（1）了解自动控制系统的组成及其控制过程，并初步建立仪表自动化的工程概念；（2）掌握温度控制系统的设计方法；（3）熟悉多种温度控制系统的调节（控制器参数的工程整定）方法，获取最佳控制效果。二、实验设备自研自制过程控制实验装置1台、SA-12挂件2个、SA-13A挂件1个、计算机1台、万用表

27、1只、实验连接线若干。三实验原理本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。实验系统控制方框图如图4-1所示：图4-1锅炉内胆静态水温定值控制系统方框图四、实验项目及步骤 按过程控制与仪表自动化系统实验装置相应的温度实验项目，构建系统，设定控制参数，调节控制过程，实现控制要求。（一）观察系统在PI控制参数下的动态响应曲线1按要求设定参数，水温给定值SV40，PI参数为P40，I

28、60。2设置好系统的给定值后，先把调节器的输出设为手动，通过三相移相调压模块给锅炉内胆加热,等锅炉水温趋于给定值且不变后，由手动切换为自动，使系统进入自动运行状态。其总貌图如图4-2所示：图4-2锅炉内胆静态水温定值控制系统总貌图 图4-2中恒定不变的曲线表示锅炉水温的设定值，变化的曲线表示锅炉水温的测量值。本实验中采用的是静态水，所以循环水输出值为0。3 观察系统在设定的控制参数下的动态响应曲线，如图4-3所示：图4-3锅炉内胆静态水温定值控制系统动态响应曲线从图4-3中可以看到，锅炉水在加热阶段温度上升所用的时间要比在冷却阶段温度下降所有的时间少，也就是说，锅炉里的水能很快的加热，但是不能

29、同样速度的降温。这是因为锅炉是一个密闭的系统，而且本实验采用的是静态水并没有加入循环的冷却水，所以散热较慢，使得水温的下降速度较之加热速度要慢。（二）研究系统在扰动作用下的动态响应过程当系统稳定在给定值后，给系统加一阶跃干扰，使SV45，观察其动态响应过程。响应曲线如图4-4所示：图4-4阶跃扰动下系统的响应曲线 图4-4是系统对于阶跃扰动的动态响应，可以看到水温控制系统同液位控制系统一样，可以很好的克服干扰作用，使系统稳定。（三）锅炉内胆水温位式控制1实验目的（1）了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。（2）了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。（3）研究调节器相关参数

30、的改变对温度控制系统动态性能的影响。（4）分析比较锅炉夹套水温控制与锅炉内胆动态水温控制的控制效果。3实验原理位式控制系统实质上是一个典型的非线性控制系统。位式控制器的输入-输出特性如图4-5，VO与Vi的关系不仅有死区存在，而且还有回环，因而图4-5所示的系统执行器只有“开”或“关”两种极限工作状态，故称这种控制器为二位调节器。图4-5 位式控制器的输入-输出特性 图中，V0位式控制器的输出；Vi位式控制器的输入；Vmax位式控制器的上限输入；Vmin位式控制器的下限输入。 位式控制系统的工作原理是：当被控制的锅炉水温T减小到小于设定下限值时，即ViVmin时，位式调节器的输出继电器闭合，交

31、流接触器接通，使电热丝接通三相380V电源进行加热。随着水温T的升高，Vi也不断增大，当增大到大于设定上限值时，即ViVmax时，则位式调节器的输出继电器断开，这样交流接触器也断开，切断电热丝的供电。由于这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，只适用于对控制质量要求不高的场合。本实验的被控对象是锅炉内胆的电热丝，被控制量是内胆的水温T，温度变送器把被控制量T转变为反馈电压Vi，它与二位调节器设定的上限输入Vmax 和下限输入Vmin比较，从而决定二位调节器输出继电器闭合与断开，即控制位式接触器接通与断开。图4-6为控制系统方框图。图4-6 锅炉内胆水温位式控制系统框图3实验步骤（1）按连线表要求

32、，完成实验系统的接线。（2）接通总电源空气开关和钥匙开关，按下启动按钮，合上单相空气开关，给智能仪表上电，打开变频器电源开关，给变频器上电，将变频器设置在适当的频率，变频器支路开始往锅炉夹套打冷却水。（3）打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验七、锅炉内胆水温位式控制”，进入实验三的监控界面如图4-7所示。图4-7 锅炉内胆水温位式控制界面（4）在上位机监控界面中设置好仪表的设定值和回差（即DF参数）。此操作也可通过调节仪表实现。（5）合上单相和三相电源空气开关，接触器触点闭合，三相电加热管通电加热，锅炉内胆的水温开始上升，观察

33、上位机记录的温度响应曲线。（6）待锅炉内胆水温稳定于设定范围时，突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，一般为设定值的515%为宜），于是锅炉内胆的水温便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定范围，水温的响应过程曲线。4实验结果锅炉内胆水温位式控制系统，静态的测试（锅炉夹套没有供循环冷水）：静态时升温的时间很短，但是降温的时间很长。15：41给定值SV为33，DF设为3时，反作用的调节，（加热控制）。结果如图4-8所示。红色线条代表内胆温度设定量；绿色线条代表内胆温度测量值。图4-8 锅炉内胆静态水温位式控制系统运行结果（

34、1）输出在接通的状态时，当测量温度大于36时关断。（2）输出在关断的状态时，则当测量温度小于30时，才重新接通进行加热。(16：38将给定值改为36)锅炉内胆水温位式控制系统，动态的测试（锅炉夹套供循环冷水）：动态升温的时间与静态时相比较而言要长，但是降温的时间比静态时要短。17：37给定值SV为38，DF设为3时，反作用的调节，（加热控制）：结果如图4-9所示。图4-9 锅炉内胆动态水温位式控制系统运行结果（1）输出在接通的状态时，当测量温度大于41时关断。（2）输出在关断的状态时，则当测量温度小于35时，才重新接通进行加热。(17：44将给定值改为40)在17：44和17：46这个时间段内

35、，虽然把温度已经改为了40，温度没有上升的原因是，给定值是40，DF为3，所以它的输入下限是37，所以也就是说只有当温度小于等于37时，继电器或接触器才会开始动作。对于采用位式调节而言，DF值越大，通断时间越长，控制精度越低。反之，DF值越小，通断周期越长短，控制精度较高，但是容易因输入的波动而产生误动作，使继电器或接触器等机械开关寿命降低。且只适合要求不高的场合进行控制时采用。（四）锅炉内胆静态水温定值控制系统1实验目的（1）了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。（2）研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。（3）了解PID参数自整定的方法及其参数整定在整个系统中的重

36、要性。2实验原理本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。本实验系统结构图和方框图如图4-10所示。图4-10 锅炉内胆温度特性测试系统(a)结构图 (b)方框图可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制：（1）锅炉

37、夹套不加冷却水（静态）本实验采用该方法（2）锅炉夹套加冷却水（动态）显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，降温过程稍快，过渡过程时间稍短。3实验步骤本实验选择锅炉内胆水温作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-2、F1-12、F1-13全开，其余阀门关闭。给锅炉内胆和夹套贮一定的水量（要求内胆至少高于液位指示玻璃管的红线位置，注意：内胆温度先加热到一定程度时，再加冷却水）。然后关闭阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备（本实验采用动态加冷却水）表4-1 智能仪表锅炉内胆静态水温定值控制系统接线说明文字部分强电单相和的L、N端对应接到智能调

38、节仪1和2电源的L、N端弱电调节仪1的信号输出7、5端对应接到SA-13A移相调控信号输入+、-端，调节仪2的信号输出7、5端对应接到SA-13A变频器1控制信号输入，温度传感器TT1的a、b、c端对应接到智能调节仪1的2、3、4输入端 参考参数：P=40；I=60-70；D=4；Sn=21；CF=0；ADDR=1；SV=40；diH=100；dil=0；变频器频率：F=25Hz（1）将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面控制屏接线说明连接实验系统。（2）接通总电源空气开关

39、和钥匙开关，按下启动按钮，合上单相空气开关，给智能仪表上电。（3）打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验五、锅炉内胆水温定值控制”，进入实验五的监控界面如图4-11所示。图4-11 锅炉内胆水温定值控制界面（4）将智能仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，调节仪2输出设置为45%（变频器以固定频率加冷却水），此操作可通过调节仪表实现。（5）合上电源控制柜的总开关，打开钥匙开关，按下启动按钮，打开三相电源开关，三相电加热管通电加热，适当增加/减少智能仪表的输出量，使锅炉内胆的水温平衡于设定值。（6）按经验法或动态特性参

40、数法整定调节器参数，选择PID控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。（7）待锅炉内胆水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待水温平衡后，突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，一般为设定值的515%为宜），于是锅炉内胆的水温便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定值，记录此时智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，内胆水温的响应过程曲线。（8）适量改变调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。（9）打开变频器电源开关，给变频器上电，将变频器设置在适当的频率（20Hz左右），变

41、频器支路开始往锅炉夹套打冷水，重复步骤48，观察实验的过程曲线与前面不加冷水的过程有何不同。（10）分别采用P、PI、PD控制规律重复实验，观察在不同的PID参数值下，系统的阶跃响应曲线。4实验结果根据以上设置，可以得出在改变给定值的情况下，系统的响应过程如图4-12所示。图中红色曲线为给定值，绿色曲线为测量值随时间的变化过程。图4-12 锅炉内胆静态水温定值控制系统运行结果由上图可以看出=40，I=60s，D=4s时，微分时间适合，此时的过渡过程稳定，最大偏差也不大（15：39加上的阶跃信号）。由此可以看出=40，I=60s，D=4s时，水温趋于稳定。锅炉内胆静态水温定值控制系统结构较简单，

42、控制起来比较方便，能准确的锅炉内胆静态水温。其中，参数整定采用的是经验法，通过不同参数的设置 ，再看响应曲线的变化，从而找到了最佳参数，比例度越小，越快达到稳定。比例调节能快速抵消干扰的影响，同时利用积分调节消除残差，故当比例度小些，最后稳态误差较小。（五）锅炉内胆动态水温定值控制系统1实验目的（1）了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。（2）研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。（3）了解PID参数自整定的方法及其参数整定在整个系统中的重要性。2实验原理本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测

43、到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。本实验系统结构图和方框图如图4-13所示。图4-13 锅炉内胆温度特性测试系统(a)结构图 (b)方框图可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制：（1）锅炉夹套不加冷却水（静态）（2）锅炉夹套加冷却水（动态）本实验采用该方法显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，

44、降温过程稍快，过渡过程时间稍短。3实验步骤本实验选择锅炉内胆水温作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-2、F1-12、F1-13全开，其余阀门关闭。给锅炉内胆和夹套贮一定的水量（要求内胆至少高于液位指示玻璃管的红线位置，注意：内胆温度先加热到一定程度时，再加冷却水）。然后关闭阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备（本实验采用动态加冷却水）（1）将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面控制屏接线说明连接实验系统表4-2 智能仪表锅炉内胆动态水温

45、定值控制系统接线说明文字部分强电单相和的L、N端对应接到智能调节仪1和2电源的L、N端弱电调节仪1的信号输出7、5端对应接到SA-13A移相调控信号输入+、-端，调节仪2的信号输出7、5端对应接到SA-13A变频器1控制信号输入，温度传感器TT1的a、b、c端对应接到智能调节仪1的2、3、4输入端参考参数：P=40；I=60-70；D=4；Sn=21；CF=0；ADDR=1；SV=40；diH=100；dil=0；变频器频率：F=25Hz（2）接通总电源空气开关和钥匙开关，按下启动按钮，合上单相空气开关，给智能仪表上电。（3）打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入M

46、CGS运行环境，在主菜单中点击“实验六、锅炉内胆水温定值控制”，进入实验五的监控界面如图4-14所示。图4-14 锅炉内胆水温定值控制界面（4）将智能仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，调节仪2输出设置为45%（变频器以固定频率加冷却水），此操作可通过调节仪表实现。（5）合上电源控制柜的总开关，打开钥匙开关，按下启动按钮，打开三相电源开关，三相电加热管通电加热，适当增加/减少智能仪表的输出量，使锅炉内胆的水温平衡于设定值。（6）按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PID控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。（7）待锅炉内胆水温稳定于给定值时，将

47、调节器切换到“自动”状态，待水温平衡后，突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，一般为设定值的515%为宜），于是锅炉内胆的水温便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定值，记录此时智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，内胆水温的响应过程曲线。（8）适量改变调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。（9）打开变频器电源开关，给变频器上电，将变频器设置在适当的频率（20Hz左右），变频器支路开始往锅炉夹套打冷水，重复步骤48，观察实验的过程曲线与前面不加冷水的过程有何不同。（1）分别采用P、PI、PD

48、控制规律重复实验，观察在不同的PID参数值下，系统的阶跃响应曲线。4实验结果根据以上设置，可以得出在改变给定值的情况下，系统的响应过程如图4-15所示。图中红色曲线为给定值，绿色曲线为测量值随时间的变化过程。图4-15 锅炉内胆动态水温定值控制系统运行结果由于内胆动态水的温度控制时升温过程稍慢，降温过程稍快，过渡过程时间稍短，所以内胆动态水的温度控制比静态水时的温度控制更容易稳定，动态性能更好。（六）锅炉内胆水温位式控制系统1实验目的（1）了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。（2）了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。（3）研究调节器相关参数的改变对温度控制系统动态性能

49、的影响。（4）分析比较锅炉夹套水温控制与锅炉内胆动态水温控制的控制效果。2实验原理位式控制系统实质上是一个典型的非线性控制系统。位式控制器的输入-输出特性如图4-16所示，VO与Vi的关系不仅有死区存在，而且还有回环，因而图416所示的系统执行器只有“开”或“关”两种极限工作状态，故称这种控制器为双位调节器。图4-16 位式控制器的输入-输出特性 位式控制系统的工作原理是：当被控制的锅炉水温T减小到小于设定下限值时，即ViVmin时，位式调节器的输出继电器闭合，交流接触器接通，使电热丝接通三相380V电源进行加热。随着水温T的升高，Vi也不断增大，当增大到大于设定上限值时，即ViVmax时，则

50、位式调节器的输出继电器断开，这样交流接触器也断开，切断电热丝的供电。由于这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，只适用于对控制质量要求不高的场合。本实验的被控对象是锅炉内胆的电热丝，被控制量是内胆的水温T，温度变送器把被控制量T转变为反馈电压Vi，它与二位调节器设定的上限输入Vmax 和下限输入Vmin比较，从而决定二位调节器输出继电器闭合与断开，即控制位式接触器接通与断开。图4-17为控制系统框图。图4-17 锅炉内胆水温位式控制系统框图3实验步骤（1）按连线表要求，完成实验系统的接线。（2）接通总电源空气开关和钥匙开关，按下启动按钮，合上单相空气开关，给智能仪表上电，打开变频器电源开关，给变

51、频器上电，将变频器设置在适当的频率，变频器支路开始往锅炉夹套打冷却水。（3）打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“锅炉内胆水温位式控制”，进入实验三的监控界面如图4-18所示。图4-18 锅炉内胆水温位式控制界面（4）在上位机监控界面中设置好仪表的设定值和回差（即DF参数）。此操作也可通过调节仪表实现。（5）合上单相和三相电源空气开关，接触器触点闭合，三相电加热管通电加热，锅炉内胆的水温开始上升，观察上位机记录的温度响应曲线。（6）待锅炉内胆水温稳定于设定范围时，突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（即

52、阶跃干扰，此增量不宜过大，一般为设定值的515%为宜），于是锅炉内胆的水温便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定范围，水温的响应过程曲线。4实验结果锅炉内胆水温位式控制系统，静态的测试（锅炉夹套没有供循环冷水）：静态时升温的时间很短，但是降温的时间很长。15：41给定值SV为33，DF设为3时，反作用的调节，（加热控制）。结果如图4-20所示。红色线条代表内胆温度设定量；绿色线条代表内胆温度测量值。图4-20 锅炉内胆静态水温位式控制系统运行结果（1）输出在接通的状态时，当测量温度大于36时关断。（2）输出在关断的状态时，则当测量温度小于30时，才重新接通进行加热。(16：3

53、8将给定值改为36)锅炉内胆水温位式控制系统，动态的测试（锅炉夹套供循环冷水）：动态升温的时间与静态时相比较而言要长，但是降温的时间比静态时要短。17：37给定值SV为38，DF设为3时，反作用的调节，（加热控制）：结果如图4-21所示。图4-21 锅炉内胆动态水温位式控制系统运行结果（1）输出在接通的状态时，当测量温度大于41时关断。（2）输出在关断的状态时，则当测量温度小于35时，才重新接通进行加热。(17：44将给定值改为40)在17：44和17：46这个时间段内，虽然把温度已经改为了40，温度没有上升的原因是，给定值是40，DF为3，所以它的输入下限是37，所以也就是说只有当温度小于等于37时，继电器或接触器才会开始动作。对于采用位式调节而言，DF值越大，通断时间越长，控制精度越低。反之，DF值越小，通断周期越长短，控制精度较高，但是容易因输入的波动而产生误动作，使继电器或接触器等机械开关寿命降低。且只适合要求不高的场合进行控制时采用。（七）锅炉夹套